李永山

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

機(jī)群是由多臺(tái)垂直運(yùn)輸設(shè)備組成，一個(gè)大型的水電項(xiàng)目針對(duì)不同的施工環(huán)境與工作量要求，需要配備不同數(shù)量以及不同種類的垂直運(yùn)輸設(shè)備布置在同一施工現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行近距離交叉作業(yè)，實(shí)現(xiàn)空間上的復(fù)用，以提高工作效率和工程進(jìn)度。門塔機(jī)具有臂架覆蓋范圍廣、起重量大、整機(jī)裝拆運(yùn)輸方便、吊具下放深度大、能較好地適應(yīng)臨時(shí)性工作等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較多。但受環(huán)境的限制，水電工程常將多臺(tái)不同種類的垂直運(yùn)輸設(shè)備交叉布置，作業(yè)時(shí)存在著相互碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，而且水電工程壩(廠)及樞紐施工中隨著構(gòu)筑物逐漸增高，垂直運(yùn)輸設(shè)備機(jī)群的大臂以及吊鉤與構(gòu)筑物發(fā)生碰撞的概率增大，這不僅降低了垂直運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)行效率，而且存在碰撞的安全隱患。

本文以犍為航電樞紐項(xiàng)目中的垂直運(yùn)輸設(shè)備安全運(yùn)行為實(shí)例，開展門塔機(jī)群防碰撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用工作。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體框架構(gòu)建

航電樞紐工程項(xiàng)目中，不同地點(diǎn)的施工項(xiàng)目對(duì)主要垂直運(yùn)輸設(shè)備的要求不完全一致，主要垂直運(yùn)輸設(shè)備為門塔機(jī)。為了避免機(jī)群之間相互碰撞，提升工作效率，同時(shí)規(guī)范化吊運(yùn)施工管理，安全化施工進(jìn)程，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了分析：①可擴(kuò)展性，系統(tǒng)可以隨時(shí)增加或者減少垂直運(yùn)輸設(shè)備的數(shù)目，以滿足項(xiàng)目對(duì)進(jìn)度的要求；②通用性，能夠解決不同種類垂直運(yùn)輸設(shè)備間的防碰撞問題，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求；③易操作性，整個(gè)集群參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)監(jiān)控操作方便；④實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)信息進(jìn)行傳輸、運(yùn)算和處理，及時(shí)作出判斷和反饋；⑤可靠性，即使在出現(xiàn)誤操作的情況下，系統(tǒng)依然能夠保持安全穩(wěn)健運(yùn)行，具有較高的容錯(cuò)性；⑥經(jīng)濟(jì)性，整套系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，成本低廉。

通過比選，選擇基于分布式網(wǎng)絡(luò)控制體系，如圖1所示，主要體現(xiàn)在每臺(tái)門塔機(jī)都搭載了相應(yīng)處理器，能夠獨(dú)立感知外部信息，作出決策，并控制自身機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的操作。即使有部分門塔機(jī)控制器出現(xiàn)故障，其他設(shè)備依然能夠正常運(yùn)行，彌補(bǔ)了集中控制的不足，在門塔機(jī)為主、其他設(shè)備為輔布置方式中具有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖1 控制體系結(jié)構(gòu)

1.2 單臺(tái)門塔機(jī)防碰撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于分布式網(wǎng)絡(luò)控制體系，每一臺(tái)門塔機(jī)都集成了感知系統(tǒng)、工況監(jiān)視系統(tǒng)、算法模塊、決策系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和知識(shí)庫，只是在不同的應(yīng)用場(chǎng)合決策系統(tǒng)活躍的層級(jí)不同，如圖2所示。

圖2 單臺(tái)垂直運(yùn)輸設(shè)備控制系統(tǒng)的組成

a.門塔機(jī)防碰撞系統(tǒng)的感知系統(tǒng)搭載了回轉(zhuǎn)信號(hào)采集傳感器、幅角信號(hào)采集傳感器、大車行走距離及相對(duì)位置信號(hào)采集傳感器、風(fēng)速信號(hào)采集傳感器、起重量信號(hào)采集傳感器、吊鉤高度信號(hào)采集傳感器、高清紅外夜視球機(jī)攝像頭和高清紅外夜視墻機(jī)攝像頭。這些傳感器用于獲得垂直運(yùn)輸設(shè)備自身的位置、狀態(tài)和施工現(xiàn)場(chǎng)狀況等動(dòng)態(tài)信息。此外，感知系統(tǒng)也接收來自施工現(xiàn)場(chǎng)地圖等靜態(tài)信息以及其他垂直運(yùn)輸設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，如圖3所示。

圖3 門塔機(jī)防碰撞感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

b.工況監(jiān)視系統(tǒng)通過感知系統(tǒng)獲得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)以及施工現(xiàn)場(chǎng)狀況等信息，以圖形化的方式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，此外，可以通過工況監(jiān)視系統(tǒng)人工輸入控制命令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相關(guān)的操作，如啟動(dòng)、停止或者報(bào)警等，如圖4所示。

圖4 垂直運(yùn)輸設(shè)備工況監(jiān)視系統(tǒng)

c.算法模塊主要根據(jù)空間參數(shù)建立碰撞的物理模型，整合數(shù)據(jù)定位垂直運(yùn)輸設(shè)備的空間相對(duì)位置，分析與計(jì)算垂直運(yùn)輸設(shè)備的危險(xiǎn)區(qū)域、報(bào)警區(qū)域和制動(dòng)區(qū)域，為決策模塊提供決策的依據(jù)。避碰流程如圖5所示。

圖5 垂直運(yùn)輸設(shè)備避碰算法流程

d.決策系統(tǒng)收集感知系統(tǒng)、算法模塊和規(guī)則庫中的信息，作出有利于當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行的控制決策，并將決策結(jié)果的控制量輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)設(shè)備做出相應(yīng)的行為。該模塊賦予垂直運(yùn)輸設(shè)備以較高的智能，它是進(jìn)行復(fù)雜決策和知識(shí)處理的關(guān)鍵所在，不同的垂直運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)模型不同，但都是基于設(shè)備間的最小距離來判別設(shè)備的狀態(tài)。根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)，不同的主要垂直運(yùn)輸設(shè)備和其他輔助設(shè)備之間采用了不同的防碰撞決策方法。

e.執(zhí)行系統(tǒng)接收決策信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生實(shí)際的行為，包括直接產(chǎn)生聲光的預(yù)警和報(bào)警以及作為PLC輸出的控制電氣信號(hào)，如圖6所示。

圖6 垂直運(yùn)輸設(shè)備執(zhí)行系統(tǒng)

f.知識(shí)庫中存儲(chǔ)著施工過程中的數(shù)學(xué)模型，并且通過執(zhí)行系統(tǒng)的結(jié)果反饋，不斷校正和學(xué)習(xí)垂直運(yùn)輸設(shè)備在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的防碰撞知識(shí)信息，該模塊使得系統(tǒng)具有一定的學(xué)習(xí)能力，是本系統(tǒng)在未來的研究方向。

1.3 多元狀態(tài)信息感知技術(shù)應(yīng)用

為了保證防碰撞系統(tǒng)的性能，要求對(duì)每一臺(tái)垂直運(yùn)輸設(shè)備(包括門機(jī)、塔機(jī)等)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，其中包括對(duì)運(yùn)輸設(shè)備的位置、幅角、回轉(zhuǎn)角等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，保證其處于安全的工作狀態(tài)。同時(shí)為了各個(gè)設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)共享信息，采用無線數(shù)傳電臺(tái)作為媒介，從而保證各個(gè)設(shè)備之間達(dá)到快速的信息通信。

1.4 視頻數(shù)據(jù)穩(wěn)定采集

由于僅僅確定各個(gè)門塔機(jī)的相對(duì)位置還不能達(dá)到安全的要求，因此還需要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)障礙物和工作人員的位置是否處于危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行鑒別，通過視頻監(jiān)測(cè)移動(dòng)的障礙物或者工作人員，實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)傳遞給操作人員，從而減少操作人員的盲區(qū)。

視頻采集的要求是提供精準(zhǔn)的圖像，通過顯示器顯示采集的圖像，代替駕駛員目測(cè)臨時(shí)障礙物的位置，為垂直運(yùn)輸設(shè)備駕駛員提供準(zhǔn)確的視野范圍。為保證垂直運(yùn)輸設(shè)備在運(yùn)行過程中可以采集準(zhǔn)確的視頻信息，采用一種電站門座式起重機(jī)視頻監(jiān)控設(shè)備連接裝置，其通過可擺動(dòng)的連桿保證視頻采集的視角始終與地面垂直，通過電磁阻尼原理設(shè)計(jì)安裝減震器，保證視頻信息采集的穩(wěn)定性。

2 安裝工藝

2.1 工藝流程

整個(gè)系統(tǒng)采用了分布式的控制體系結(jié)構(gòu)，通過獲取自身狀態(tài)信息、周圍設(shè)備的狀態(tài)信息和環(huán)境信息，每臺(tái)垂直運(yùn)輸設(shè)備間能夠互相通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。通過自動(dòng)實(shí)時(shí)信息感知、分析與計(jì)算，預(yù)測(cè)設(shè)備間存在碰撞時(shí)采用燈光閃爍、語音報(bào)警、強(qiáng)行停機(jī)等方式及時(shí)提醒操作人員進(jìn)行避讓，輔助門塔機(jī)等設(shè)備安全運(yùn)行。施工工藝流程為：電站門座式起重機(jī)群安裝→安裝分布式門塔機(jī)群防碰撞系統(tǒng)→安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)→日常維護(hù)，如圖7所示。

圖7 安裝工藝流程

2.2 操作要點(diǎn)

2.2.1 門塔機(jī)群安裝

根據(jù)航電樞紐工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工進(jìn)度計(jì)劃要求，為保證施工區(qū)域能夠被門塔機(jī)全部覆蓋并滿足施工強(qiáng)度的要求，在構(gòu)筑物周邊合適位置布置門塔機(jī)群。

2.2.2 門塔機(jī)群防碰撞系統(tǒng)安裝

分布式門塔機(jī)群防碰撞系統(tǒng)包含控制主機(jī)箱及顯示器、行走距離及相對(duì)位置信號(hào)采集傳感器、旋轉(zhuǎn)角度及方向信號(hào)采集傳感器、幅角度信號(hào)采集傳感器、風(fēng)速信號(hào)采集傳感器、起重量信號(hào)采集傳感器、吊鉤高度信號(hào)采集傳感器、控制信號(hào)輸出連接電纜等。

a.主機(jī)控制箱使用自攻螺絲安裝固定在駕駛室墻壁上，顯示器使用定制的加重底座安裝固定后置于駕駛室承物桌上。

b.行走傳感器安裝。行走信號(hào)采集傳感器安裝在門機(jī)外加設(shè)的從動(dòng)輪上，在從動(dòng)輪上設(shè)置安裝支架，將傳感器安裝在支架上，讓傳感器齒輪與門機(jī)從動(dòng)輪的管柱齒圈很好地咬合在一起。將傳感器安裝在從動(dòng)輪上避免了門機(jī)滑動(dòng)造成的采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題。

回轉(zhuǎn)傳感器安裝。設(shè)計(jì)制作了安裝支架，先將傳感器安裝在支架上，后將支架焊接于門機(jī)駕駛室下方，讓傳感器齒輪與門機(jī)管柱齒圈很好地咬合在一起，須保證齒輪與齒圈是水平不錯(cuò)位的，以保障在運(yùn)行過程中不產(chǎn)生縱向力矩，而造成卡齒、跳齒或聯(lián)軸器發(fā)生滑動(dòng)，造成信號(hào)采集誤差。

幅角傳感器安裝。幅角度信號(hào)采集傳感器安裝于門機(jī)大臂下方。

起重量信號(hào)采集傳感器、吊鉤高度傳感器、風(fēng)速信號(hào)采集傳感器安裝在門機(jī)動(dòng)作運(yùn)行的相應(yīng)位置。

c.連接線纜安裝。通過連接線纜將各傳感器與主機(jī)控制箱連接在一起。

d.數(shù)傳電臺(tái)使用自攻螺絲安裝固定在駕駛室墻壁上，天線底部含有強(qiáng)力磁鐵，可有效吸附在鋼鐵表面，信號(hào)穿透性強(qiáng)，所以天線可置于駕駛室頂部或駕駛室內(nèi)部墻壁上。

2.2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)安裝

門機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用單擺連接桿保證攝像頭視角固定，通過電磁阻尼原理削減攝像頭的反復(fù)擺動(dòng)。高清紅外夜視球機(jī)攝像頭安裝于大臂臂尖用于監(jiān)控吊鉤工作狀態(tài)，高清紅外夜視墻機(jī)攝像頭安裝于機(jī)構(gòu)機(jī)房用于監(jiān)控起升機(jī)構(gòu)與變幅機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)。液晶顯示屏安裝于門機(jī)操作室，通過門機(jī)大臂上始終垂直地面的視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集門機(jī)大臂下部視野的精準(zhǔn)圖像，通過顯示器顯示采集的圖像，代替駕駛員目測(cè)臨時(shí)障礙物的位置，為門機(jī)駕駛員提供了準(zhǔn)確的視野范圍。

2.2.4 防碰撞系統(tǒng)運(yùn)行

防碰撞系統(tǒng)通過門機(jī)行走機(jī)構(gòu)、門機(jī)大臂回等各個(gè)傳感器安裝于門座式起重機(jī)不同機(jī)構(gòu)，當(dāng)門座式起重機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)傳感器也隨著運(yùn)動(dòng)，輸出信號(hào)不斷變化，門座式起重機(jī)防撞系統(tǒng)采集傳感器數(shù)據(jù)不斷計(jì)算，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)顯示到顯示器供操作人員查看門座式起重機(jī)當(dāng)前工作數(shù)據(jù)及狀態(tài)，并且通過無線傳輸電臺(tái)使數(shù)據(jù)相互通信。

門機(jī)防碰撞智能控制系統(tǒng)工作時(shí)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)都會(huì)隨著不同的操作指令動(dòng)作在顯示界面得到直觀的體現(xiàn)，本系統(tǒng)中包含幅角度、吊鉤高度、大車行走、旋轉(zhuǎn)角度及方向。并且防撞系統(tǒng)建立了門機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)定位門機(jī)空間位置，定義門機(jī)運(yùn)行的危險(xiǎn)區(qū)域，通過無線局域網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，將門機(jī)群的位置信息收入處理裝置；通過處理裝置判斷門機(jī)的相對(duì)位置，門機(jī)進(jìn)入危險(xiǎn)預(yù)警區(qū)后開啟報(bào)警裝置，并啟動(dòng)門機(jī)行走限位器和回轉(zhuǎn)行程限位器，使門機(jī)運(yùn)行減速制動(dòng)，防止門機(jī)相互碰撞，如圖8所示。

圖8 控制流程

2.2.5 運(yùn)行維護(hù)

隨著使用時(shí)間的增加，各種因素的影響，系統(tǒng)不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些數(shù)據(jù)誤差問題，此時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)更正，糾偏相應(yīng)數(shù)據(jù)，確保采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

3 應(yīng)用實(shí)例

岷江犍為航電樞紐工程正常蓄水位335.00m，相應(yīng)庫容為2.27億m3，總裝機(jī)容量為500MW，校核洪水位為339.21m。結(jié)合施工布置及施工進(jìn)度計(jì)劃，基于混凝土施工分布情況和混凝土施工機(jī)械性能等綜合因素，布置2臺(tái)MQ900B高架門座式起重機(jī)、5臺(tái)MQ600B中架門座式起重機(jī)，7臺(tái)塔機(jī)用于澆筑混凝土，門塔機(jī)交叉作業(yè)頻繁施工強(qiáng)度高。

基于分布式體系的門塔機(jī)群防碰撞系統(tǒng)通過自動(dòng)實(shí)時(shí)信息感知、分析與計(jì)算，預(yù)測(cè)設(shè)備間存在碰撞時(shí)采用燈光閃爍、語音報(bào)警、強(qiáng)行停機(jī)等方式及時(shí)提醒操作人員進(jìn)行避讓，輔助門塔機(jī)等設(shè)備安全運(yùn)行。自運(yùn)行以來成功發(fā)出上百次確實(shí)存在運(yùn)行安全的報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員盡早進(jìn)行了避讓，碰撞危險(xiǎn)基本在聲光預(yù)警階段得到有效解決，實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)沒有任何設(shè)備碰撞事件發(fā)生，保證了垂直運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行的安全性，并提高了設(shè)備的運(yùn)行效率和吊裝生產(chǎn)能力。同時(shí)有效減少了不必要的電能等資源消耗， 節(jié)能減排環(huán)保效益顯著。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)門塔機(jī)機(jī)群防碰撞控制系統(tǒng)采用了分布式的控制體系結(jié)構(gòu)，每臺(tái)垂直運(yùn)輸設(shè)備間能夠互相通信，通過獲取自身狀態(tài)信息、周圍設(shè)備的狀態(tài)信息和環(huán)境信息，解決了門機(jī)與其他輔助設(shè)備交叉作業(yè)時(shí)的避碰問題，提升了水電工程機(jī)群空間作業(yè)智能防撞安全控制技術(shù)。在實(shí)際施工運(yùn)行過程中，取得了良好的效果。